智能仪器设计
（Design of Intelligent Instrument）
课程代码：
学 分：3
学 时： 45 （其中：讲课学时：39 实验学时：6 上机学时：0）
先修课程：微机系统与接口技术、单片机应用系统设计、电子技术、传感器技术、误差理论与数据处理、精密机械设计基础等
适用专业：测控技术与仪器
教 材：智能仪器原理及应用,赵茂泰主编,电子工业出版社,2015(第4版);智能仪器原理与设计,刘大茂主编,国防工业出版社,2013版;《智能仪器》，程德福等主编，机械工业出版社，2009(第2版)
开课学院：机械工程学院
课程网站：http://mooc1.chaoxing.com/course/81682477.html
一、课程的性质与任务
课程性质：《智能仪器设计》是测控技术与仪器专业2门核心专业课之一，为必修课程。课程将智能、计算机及微处理器引进测控技术与仪器领域，内容是有关智能测试仪器和系统的基本知识和设计基本方法，理论性、实践性和综合性均很强，具有很强的实用性。
课程任务：通过本课程的学习，要求学生掌握智能仪器内涵，组成形式及结构，接口技术，数据处理与软件技术等。除此之外，还要求学生了解总线标准及实现方法。学完本课程后，要求学生能够设计一个智能仪器系统，并能够对信号测量与数据处理。
二、课程目标
专业培养目标：培养具有较好的人文社会科学素养，具有较扎实的自然科学基础知识和宽厚的测控技术与仪器专业基本理论及工程知识，具有测量控制与仪器领域技术研发、系统集成和综合应用能力，具有良好的沟通能力和团队协作精神，具有较强的创新意识、创新精神和国际化视野的工程技术人才。
课程定位在“培养和提高学生的现代智能仪器综合设计、系统集成和应用实践创新能力”。课程目标：在学习电子技术、传感器、信号处理、计算机软硬件等知识和技术基础上，使学生建立现代智能仪器系统概念，通过将智能仪器软硬件相结合，学习领会智能仪器基本工作原理、主要技术和设计方法，结合实际仪器开展系统设计，使学生运用所学知识与技术开展智能仪器综合设计和创新实践。具体目标包括：
课程目标1：能解释智能仪器相关的专业术语，领会智能仪器基本工作原理、主要技术和设计方法，建立了现代智能仪器系统概念。（指标点1-4）
课程目标2：能够运用数学、自然科学、工程科学基本原理和专业知识，识别与提炼、定义与表达测控系统与仪器工程领域复杂工程问题，并研究分析加以解决。（指标点1-4和2-3）
课程目标3：针对工程实践中测量仪器或测试系统复杂工程问题，以及设计任务要求，能够通过课内课外学习，专业重要文献来源获取方法，获取测控系统与仪器中相关器件、产品、技术最新进展及其应用，了解专业相关领域的新技术，前沿发展现状和趋势。（指标点3-2和5-2）
课程目标4：对机电测控系统和电子仪器中复杂工程问题，设计实验，能正确理解、表达仪器测量结果及其性能指标，能对实验和测量结果进行正确的分析与处理，并通过信息综合分析得到合理有效结论。（指标点4-4）
三、课程目标与专业毕业要求指标点之间的对应支撑关系
1. 本课程支撑专业培养计划中毕业要求1、毕业要求2、毕业要求3、毕业要求4和毕业要求5；
2. 本课程支撑专业培养计划中毕业要求1中的指标点4：能够运用数学、自然科学、工程基础和专业知识解决测控系统与仪器工程领域复杂工程问题，占该指标点达成度的30%；
3. 本课程支撑专业培养计划中毕业要求2中的指标点3：能够运用数学、自然科学和工程科学基本原理，识别与提炼、定义与表达，研究分析测控系统与仪器设计中复杂工程问题，占该指标点达成度的40%；
4. 本课程支撑专业培养计划中毕业要求3的指标点2：掌握测控专业新技术，了解专业相关领域的前沿发展现状和趋势,占该指标点达成度的30%；
5. 本课程支撑专业培养计划中毕业要求4的指标点4：具备机电测控系统和电子仪器中复杂工程问题的设计实验、分析数据、并通过信息综合分析得到合理有效结论的能力，占该指标点达成度的30%；
6. 本课程支撑专业培养计划中毕业要求5的指标点2：掌握本专业重要文献来源和获取方法,能运用现代信息技术工具了解测控系统与仪器中相关器件、产品、技术最新进展，占该指标点达成度的40%。
| 毕业要求 指标点 | 课程目标 |
| 目标1 | 目标2 | 目标3 | 目标4 |
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| 毕业要求1-4 | √ | √ |
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| 毕业要求2-3 |
| √ |
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| 毕业要求3-2 |
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| √ |
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| 毕业要求4-4 |
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| √ |
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| 毕业要求5-2 |
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| √ |
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四、课程的内容及要求
（一）智能仪器设计基础
1．教学内容
（1）设计案例分析
（2）仪器仪表概述
（3）智能仪器概述
（4）智能仪器新发展
（5）智能仪器发展关键技术
（6）智能仪器设计概述
（7）智能仪器设计课程知识框架结构
2．知识、能力与素质等方面的基本要求
（1）对仪器仪表与智能仪器含义、作用及重要性等认识；
（2）了解智能仪器典型结构(组成) 、工作原理、基本类型与特点；
（3）了解推动智能仪器发展的主要技术及智能仪器新发展;
（4）掌握智能仪器总体设计技术路线及步骤(过程)、设计要点、硬件软件设计原则、方法及关键技术问题等。
通过本章教学，使学生明确智能仪器设计包含的主要内容和涉及的知识领域，把本课程相关章节中要介绍的内容关联起来，使学生明确相关章节在本课程中所占的地位和作用，明确学习目的和任务，激发学生的学习积极性和主动性。
3．重难点
（1）重点是智能仪器典型结构(组成) 、工作原理、基本类型与特点，智能仪器总体设计技术路线及步骤(过程)、设计要点及关键技术问题。
（2）难点是智能仪器典型结构、工作原理，总体设计技术路线及步骤。
（二）信号输入输出通道设计（自学）
1．教学内容（部分自学）
（1）设计案例分析
（2）仪器数据采集系统组成结构
（3）信号获取传感器及其选择
（4）信号调理放大电路
（5）A/D转换接口技术
（6）D/A转换接口技术
（7）数据采集系统设计实例
（8）数据采集系统误差分析
2．知识、能力与素质等方面的基本要求
认识掌握数据采集系统组成，信号调理放大电路、A/D转换和D/A转换接口应用实例设计及误差分析基本原理、方法；了解数据采集系统新发展趋势。深刻分析数据采集系统性能及误差来源。培养具备数据采集系统设计及应用能力。
3．重难点
（1）重点是掌握DAC与单片机接口，ADC与单片机接口的一般方法，常用的ADC芯片与单片机的接口，AD363单片数据采集系统。
（2）难点是多于8位的DAC和ADC与8位单片机80C51的接口。
（三）人机接口设计
1．教学内容（部分自学）
（1）设计案例分析
（2）键盘及其接口设计
（3）LED显示器及其接口设计
（4）键盘/LED显示器及其接口设计
（5） LCD显示器及其接口设计
（6）触摸屏及其接口设计
（7）微型打印机及其接口设计
（8）语音输入输出接口
2．知识、能力与素质等方面的基本要求
掌握键盘接口的任务，编码键盘，非编码键盘，独立联接式键盘，矩阵式键盘，行扫描法，线反转法，静态式编码键盘；扫描式编码键盘，七段LED显示器接口，点阵式LED显示器接口，8279/7289可编程键盘/显示器接口芯片，LCD显示器接口，CRT屏幕触摸屏接口，微型打印机接口和语音输入输出接口。培养学生掌握人机接口应用设计和实验实施能力。
3．重难点
（1）重点是掌握非编码键盘接口，行扫描法，线反转法，七段LED显示器接口，8279、7289可编程接口芯片及其应用，LCD显示器接口，CRT屏幕触摸屏接口，微型打印机接口和语音输入输出接口。
（2）难点是理解行扫描法接口程序，线反转法接口程序，多位七段LED显示器接口程序，8279、7289可编程接口芯片的用法，LCD显示器接口，CRT屏幕触摸屏接口和语音输入输出接口。
（四）数据通信接口设计
1．教学内容（部分自学）
（1）设计案例分析
（2）标准串行接口总线RS-232C和RS-485
（3）USB总线标准接口
（4）CAN总线接口
（5）GP-IB接口总线
（6）无线通信接口
2．知识、能力与素质等方面的基本要求
掌握智能仪器中常用的串行接口、USB和CAN标准总线、GP-IB接口、无线通信接口，及各种总线的应用。使学生掌握设计应用实例，培养学生掌握通信接口应用设计和实验实施能力。
3．重难点
（1）重点是掌握USB和CAN标准总线、GP-IB接口，及各种总线的应用。
（2）难点是理解USB和CAN标准总线、GP-IB接口。
（五）智能仪器总体设计
1．教学内容（部分自学）
（1）总体设计案例分析
（2）总体设计任务分析、总体精度设计与主要参数指标确定
（3）创新设计方法、设计原则与原理概述
（4）智能仪器工作原理选择、微机应用系统选择与总体系统设计
（5）智能仪器测量处理算法及系统软件设计
（6）智能仪器抗干扰设计
2．知识、能力与素质等方面的基本要求
（1）了解智能仪器总体设计任务、设计原则原理与创新设计方法等；
（2）了解智能仪器工作原理选择、微机应用系统选择与总体系统设计内容；
（3）掌握智能仪器总体精度设计与主要参数指标确定方法；
（4）掌握智能仪器测量处理算法及系统软件设计方法；
（5）掌握智能仪器硬件、软件抗干扰设计方法。
通过本章教学，使学生明确智能仪器总体设计包含的主要内容和涉及的知识领域，使学生掌握智能仪器总体精度设计与主要参数指标确定方法。掌握自动测量算法及软件设计。掌握智能仪器的低功耗设计和抗干扰设计方法及应用实例。培养学生掌握测量处理算法及软件应用设计能力。培养学生相关知识实际应用能力。
3．重难点
（1）重点是智能仪器工作原理选择、微机应用系统选择与总体系统设计；掌握常用的测量算法；掌握智能仪器的低功耗设计和抗干扰设计方法。
（2）难点是智能仪器总体精度设计与主要参数指标确定；根据实际情况有针对性的提出系统的测量处理算法及软件设计；根据实际情况有针对性的提出抗干扰设计方案。
（六）智能仪器设计典型实例与新发展
1．教学内容（部分自学）
（1）智能数字式电压表设计
（2）智能基质水分盐分多参数检测仪器设计
（3）虚拟仪器设计
（4）无线网络化仪器设计
2．知识、能力与素质等方面的基本要求
了解智能仪器设计典型实例。了解虚拟仪器、无线网络化仪器等智能仪器新发展新趋势。培养学生相关知识实际应用能力和实验能力。
3．重难点
（1）重难点是了解无线网络化仪器。
五、学时分配及对课程目标、毕业要求指标点的支撑
| 章节 | 教学内容 | 支撑课程目标 | 支撑毕业要求指标点 | 讲课学时 | 实验学时 |
| 第1章 | 智能仪器设计基础：典型结构(组成) 、工作原理、基本类型与特点，智能仪器总体设计技术路线及步骤(过程)、设计要点及关键技术问题。 | 目标1 目标2 | 1-4、2-3 | 4 |
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| 第2章 | 信号输入输出通道设计：数据采集系统组成，信号调理放大电路、A/D转换和D/A转换接口应用实例设计及误差分析基本原理、方法；了解数据采集系统新发展趋势。自学6学时 | 目标2 目标3 目标4 | 2-3、3-2、4-4、5-2 | 4 |
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| 第3章 | 人机接口设计：非编码键盘接口，行扫描法，线反转法，七段LED显示器接口，8279、7289可编程接口芯片及其应用，LCD显示器接口，CRT屏幕触摸屏接口等。 | 目标3 目标4 | 3-2、4-4、5-2 | 8 | 2 |
| 第4章 | 数据通信接口设计：常用的串行接口、USB和CAN标准总线、GP-IB接口、无线通信接口，及各种总线的应用。自学8学时 | 目标3 目标5 | 3-2、5-2 | 4 |
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| 第5章 | 智能仪器总体设计：工作原理选择、微机应用系统选择与总体系统设计；智能仪器的低功耗设计和抗干扰设计方法。 | 目标1 目标2 目标3 目标4 | 1-4、2-3、3-2、4-4、5-2 | 10 | 2 |
| 第6章 | 智能仪器典型实例与新发展：了解智能仪器设计典型实例，虚拟仪器、无线网络化仪器等智能仪器新发展新趋势。补充16位单片机 | 目标1 目标2 目标3 目标4 | 1-4、2-3、3-2、4-4、5-2 | 9 | 2 |
| 合计 |
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| 39 | 选做3个实验6学时 |
六、主要教学方法及达成课程目标的途径和措施
注：主要教学方法包括讲授法、互动讨论法、演示法，以及基于问题、项目、案例研究型教学方法等。
1、把握主线，引导学生掌握仪器仪表、现代数字仪器和智能仪器相关概念、仪器设计方法等，利用测控系统和仪器中的实际案例，帮助学生理解仪器系统设计分析和处理的方法和过程，使学生能用误差、精度和不确定度的原理处理和分析仪器测量结果，并最终能指导测测控系统和仪器的设计。
2、采用多媒体教学手段，配合例题、仪器或者测控系统设计案例的讲解，及适当的思考题和实验训练，保证讲课进度的同时，注意学生的掌握程度和课堂的气氛；
3、采用基于问题、项目、案例研究型教学方法，引进设计与工程应用的实际案例，并进一步通过互动讨论法、演示法，让学生真正了解并掌握仪器设计方法，从而具备仪器相关知识和设计方法的实际应用能力。
4、本课程有6个学时的实验，具体实验内容见课程实验教学大纲。
七、考核方式
1.课程考核方式包括平时出勤率、课堂提问与研讨、课堂测验及作业情况，实验考核和课程期末考核。
2.课程成绩=平时课堂测验及作业成绩×20%+实验成绩×20%+期末考核成绩×60%。成绩的具体构成如下：
| 成绩组成 | 考核/评价环节 | 分值 | 考核/评价细则 | 对应的毕业要求指标点及课程目标 |
| 平时课堂测验及作业成绩 | 出勤率、课堂提问测验、研讨、作业 | 20 | 结合出勤率、课堂随机提问、测验、研讨，作业情况，进行考核，主要考核学生课堂的听课效果，参与研讨情况，作业完成情况，按20%计入课程总成绩。其中，考核能够运用数学、自然科学、工程基础和专业知识解决测控系统与仪器工程领域复杂工程问题（占5%），能够运用数学、自然科学和工程科学基本原理，识别与提炼、定义与表达，研究分析机电测控系统与电子仪器设计中复杂工程问题（占5%）;能够通过课内课外学习，了解测控专业新技术，以及专业相关领域的前沿发展现状和趋势（占5%）;了解测控系统与仪器中相关器件、产品、技术最新进展，及其应用（占5%）。 | 1-4、2-3 3-2、5-2 目标1 目标2 目标3 目标4 |
| 实验成绩 | 课程实验 | 20 | 实验考核满分100分，考核实验设计、实验操作、实验数据分析等 | 4-4 目标4 |
| 期末成绩 | 考核 | 60 | 期末考试满分100分，按60%计入课程总成绩。其中，考核能够运用数学、自然科学、工程基础和专业知识解决测控系统与仪器工程领域复杂工程问题（占24%），能够运用数学、自然科学和工程科学基本原理，识别与提炼、定义与表达，研究分析机电测控系统与电子仪器设计中复杂工程问题（占24%）；能够通过课内课外学习，了解测控专业新技术，以及专业相关领域的前沿发展现状和趋势（占6%）;了解测控系统与仪器中相关器件、产品、技术最新进展，及其应用（占6%）。 | 1-4、2-3 3-2、5-2 目标1 目标2 目标3 目标4 |
八、大纲说明
1.本课程涉及的知识面较宽，采用多媒体课堂讲授与案例教学方法,结合课堂讨论、自学、实验、测试与习题讲解相结合方式，帮助学生综合理解教学内容，启发学生对知识应用。在授课方法上，采用启发式、互动式、讨论式进行教学，引导学生积极思维。在教学过程中介绍一些典型的实用的设计例子，尽量让学生多思考、讨论，发挥其聪明才智，增强其分析问题和解决问题的能力。
2.本课程有6个学时的实验，具体实验内容及要求见附件《智能仪器设计》课程实验教学大纲和《智能仪器设计》实验指导书，其中选做3个实验。
3.每次课后布置3~4条作业，作业总量约70题。另外布置一些思考题，供学生选做，以便深入理解教学内容。部分章节内容完成后，布置1-2题课堂练习或者测验题。
4.期末课程考试满分100分，包括简述题、设计题、综合应用题，考核学生掌握基本知识及其设计应用能力，其中考核毕业要求指标点1-4，能解释智能仪器相关的专业术语，能够运用数学、自然科学、工程基础和专业知识解决测控系统与仪器工程领域复杂工程问题,占课程考试的40%;指标点2-3,能够运用数学、自然科学和工程科学基本原理，识别与提炼、定义与表达，研究分析机电测控系统与电子仪器设计中复杂工程问题,占课程考试的40%；指标点3-2，能够通过课内课外学习，了解测控专业新技术，以及专业相关领域的前沿发展现状和趋势，占10%;指标点5-2，了解测控系统与仪器中相关器件、产品、技术最新进展，及其应用，占10%。
九、参考书目及学习资料
1. 智能仪器原理及应用,赵茂泰主编,电子工业出版社,2015(第4版);
2. 智能仪器原理与设计,刘大茂主编,国防工业出版社,2013版;
3. 智能仪器，程德福等主编，机械工业出版社，2009(第2版)
4. 智能化测量控制仪表原理与设计,徐爱钧,徐阳编著,北京航空航天大学出版社,2012(第3版);
5. 智能仪器设计基础,赵新民,哈尔滨工业大学出版社
6. 智能仪器原理与设计,周航慈,北京航空航天
制定人：张西良
审定人：许桢英
批准人：
2018年9月4日
课程简介
课程编码：
课程名称：智能仪器设计
英文名称：Design ofIntelligent Instrument
学 分：3
学 时：45 （其中：讲课学时：39 实验学时： 6 上机学时：0 ）
课程内容：《智能仪器设计》是测控技术与仪器专业2门核心专业课之一，为必修课程。课程将智能、计算机及微处理器引进测控技术与仪器领域，内容是有关智能测试仪器和系统的基本知识和设计基本方法，理论性、实践性和综合性均很强，具有很强的实用性。课程在学习电子技术、传感器、信号处理、计算机软硬件等知识和技术基础上，使学生建立现代智能仪器系统概念，掌握智能仪器软硬件相结合的基本工作原理、主要技术和设计方法，结合实际仪器开展系统设计。着力培养学生运用所学知识与技术开展综合设计和创新实践的能力。通过本课程的学习，要求学生掌握究竟什么是智能仪器，智能仪器组成形式，智能仪器接口技术，智能仪器数据处理与软件技术。除此之外，还要求学生了解总线标准及实现方法。学完本课程后，要求学生能够自己设计一个智能仪器系统，并能够对一些信号进行测量与数据处理。
选课对象：测控专业本科三、四年级学生
先修课程：微机系统与接口技术、单片机应用系统设计、电子技术、传感器技术、误差理论与数据处理、精密机械设计基础等
教 材：智能仪器原理及应用,赵茂泰主编,电子工业出版社,2015(第4版);智能仪器原理与设计,刘大茂主编,国防工业出版社,2013版;智能仪器，程德福等主编，机械工业出版社，2009(第2版)
《智能仪器设计》课程实验教学大纲
（Design of IntelligentInstrument）
课程编号：
课程教学总学时：45 实验总学时：6 总学分：3
先修课程：微机系统与接口技术、单片机应用系统设计、传感器技术等
适用专业：测控技术与仪器
一、目的与任务
通过对人机接口、数据通信接口和智能仪器总体设计的综合实验训练，巩固和加强对理论的认识和理解；熟悉接口的结构及应用，并通过对实验的调试观察，使学生掌握一定的基本实验技能；通过独立设计实验项目和对实验数据的分析、整理，培养学生创新思维和编写实验报告，处理一般工程设计技术问题的初步能力。
二、实验教学的基本要求
（1） 复习相关教学内容，认真写好预习报告，独立设计实验系统。
（2） 了解接口硬件、软件设计流程和调试方法。
（3） 分析相应的问题。
三、实验内容、性质、学时分配及对毕业要求的支撑
| 序号 | 实验项目名称 | 实验内容 | 学时 | 对毕业要求的支撑 | 类型 | 备注 |
| 1 | 数据采集系统实验 | 通过单片机数据采集硬件电路设计和数据采集的接口程序编写训练，掌握智能仪器数据采集系统设计方法。 | 2 | 4-4 | 设计性 | 选做 |
| 2 | 键盘及LCD显示接口实验 | 通过单片机按键输入硬件电路和LCD显示驱动接口电路设计，以及单片机按键识别处理程序和LCD显示数据处理程序设计训练，掌握智能仪器人机接口设计方法和技巧。 | 2 | 4-4 | 设计性 | 选做 |
| 3 | 串行通信接口实验 | 通过单片机RS-232、RS-485、USB等串行通信接口硬件电路设计，以及单片机串行通信处理程序设计训练，掌握智能仪器串行通信接口设计方法和技巧。 | 2 | 4-4 | 设计性 | 选做 |
| 4 | 超声测距性能分析实验 | 通过基于温度补偿超声测距仪器设计、制作、调试和测距性能综合分析实验，掌握智能仪器总体设计方法和技巧，能够对测试复杂工程问题进行实验分析，得到有效结论。 | 2 | 4-4 | 综合性 | 选做 |
| 5 | 定量加料控制实验 | 在螺旋加料装置结构模型基础上，通过应用单片机，设计、调试螺旋定量加料测控系统，进行螺旋定量加料测控实验，掌握智能仪器综合设计方法及应用训练。 | 2 | 4-4 | 综合性 | 选做 |
| 6 | 过程控制综合实验 | 通过实验了解自动控制基本原理，以及AE2000A控制系统检测部件和执行部件功能，进一步掌握过程控制系统的基本组成，智能仪器测控系统设计、调试方法。 | 2 | 4-4 | 验证性 | 选做 |
四、教学管理模式与注意事项
1． 学生在实验前必须认真复习课程有关内容，预习实验指导书，实验目的明确。实验时态度认真，遵守纪律，注意安全。
2． 指导教师适当提示实验要求、实验设备的结构、性能及注意事项，并检查预习情况。
3． 实验小组人数为2-4人，每个实验的时间为2小时。
4． 要求学生了解仪器设备的原理及使用方法，逐项记录数据，并完成实验报告。
5． 学生要完成计划内选做3个实验。鼓励学生利用课外时间完成其它选做实验。
6． 写实验报告时，对实验原理的透彻理解，实验曲线、实验数据及结果说明的问题要充分解释，实验结论清楚准确。
五、实验成绩的考核与评定方法
1． 本实验以考查为主，考核的内容包括实验预习准备情况、实验操作过程的表现、实验报告的质量、分析与解决问题的能力等。分析与解决问题的能力采用提问和现场操作的方式进行。
2． 实验成绩中实验预习准备、实验操作过程表现（包括考勤）、分析与解决问题能力占60％;实验报告占40％。
3． 实验成绩含各单项实验成绩和实验总评成绩，按百分制的形式给出。
4． 此实验不单独算学分，将实验成绩报给任课教师，按教学大纲规定的比例纳入课程的总成绩，占课程总成绩的20%。
六、参考书目及学习资料
1． 智能仪器实验指导书，江苏大学自编讲义，2015.9
制定人：张西良，孙智权，胥保文 审定人：徐琳 批准人：许桢英
2018年9月4日
